缺血性脑卒中与围术期神经认知功能障碍相关机制的研究进展

姚雨辰,范 丹

(1.电子科技大学,四川 成都 610002;2.成都市温江区中医医院麻醉科,四川 成都 611100;3.四川省医学科学院·四川省人民医院麻醉科,四川 成都 610072)

脑卒中是由脑局部血液循环障碍导致的神经功能缺损综合征,是近几十年来影响人类生存质量的主要原因之一[1]。脑卒中可细分为缺血性脑卒中和出血性脑卒中两大类,其中缺血性脑卒中占比高达80%,与认知下降、记忆减退、痴呆进展等神经神经功能损伤的联系更为紧密[2]。围术期神经认知功能障碍(perioperative neurocognitive dysfunction,PND)包括术前和术后12个月或更长时间发生的神经认知功能改变,包括术后谵妄(postoperative delirium,POD)、神经认知恢复延迟(delayed neurocognitive recovery,DNR)和术后认知功能障碍(postoperative cognitive dysfunction,POCD) 等[3]。随着世界人口老龄化的进程,围术期合并卒中的患者逐年增加,此类患者经历手术的二次打击后,更易发生PND,严重影响患者术后康复和远期生存质量,给家庭及社会带来沉重负担。因此,本文就合并卒中患者与PND的相关机制研究进行综述,以期为今后的临床及临床前PND防治提供参考。

1 围术期脑卒中与PND关系

1.1 围术期脑卒中概述美国麻醉与重症学会将围术期卒中定义为术中或术后30天内发生的缺血性或出血性卒中[4]。其中缺血性卒中可进一步分为有明确症状或病史的“显性”卒中和无症状或病史的“隐匿性”卒中。2013 年美国心脏协会/美国卒中协会将“隐匿性”卒中单独分类,定义为无神经功能受损或神经症状与缺血病灶无关,CT或MRI局灶低密度影、DWI急性异常改变、局部T1/FLAIR低信号T2高信号,单个或多个≥3 mm的皮层或皮层下缺血病灶[5]。“显性”卒中因其有明确的神经损伤临床表现而较易诊断,而随着现代影像学技术的进步,越来越多“隐匿性”卒中得以被发现。临床上围术期“隐匿性”卒中较“显性”卒中的发生率更高,且与手术类型相关。据统计65岁以上老年人非心脏及大血管手术围术期“显性”卒中发生率为0.7%,“隐匿性”卒中发生率高达10%[6]。心血管手术方面,患者围术期“显性”卒中发生率为5%,而“隐匿性”卒中发生率更是高达61%[7]。围术期“隐匿性”卒中并非静止无害,其进展为“显性”卒中的风险较正常人高5～10倍,具有极大潜在危害性。

1.2 围术期脑卒中与PND的相关性大量研究已证实围术期“显性”卒中是PND的独立危险因素,其临床表现和持续时间与卒中损伤部位和严重程度存在相关性[8]。而“隐匿性”卒中与认知功能障碍的关系尚存争议。Choy等发现心脏手术后“隐匿性”卒中与1个月认知功能障碍无显著相关性[6],但在主动脉瓣置换术后90天却更易出现认知下降[9]。在非心脏手术方面,一项多中心、大样本的队列研究提示,65岁以上卒中患者在1年的随访周期内发生PND的风险增加[7]。由于卒中恢复和再发卒中的双重作用,使得围术期卒中表现为动态发展的过程,而目前大多数研究都只在单一时间点对认知功能进行评估,关于卒中后认知轨迹的纵向研究较少,亟需进一步的探索。

2 围术期脑卒中发生PND的机制

2.1 中枢神经系统炎症中枢神经系统炎症是目前二者间机制研究中最热门的机制假说。2007年,Wan等发现非颅脑手术后大鼠海马组织中可检测到肿瘤坏死因子(tumor necrosis factor,TNF)-α和白细胞介素(IL)-6等炎症因子蛋白表达水平升高[10]。又有研究发现向老年小鼠腹腔注射脂多糖后除引起外周炎症外,中枢也可检测到TNF-α等炎症因子增加,同时伴有明显认知障碍[11]。这些研究推翻了多年以来认为大脑作为豁免器官不受外周炎症影响的假说。随后大量动物实验发现,卒中引发的缺血缺氧损伤可通过诱导释放高迁移率族蛋白分子1(HMGB1)和多种细胞炎症因子激活内源性免疫反应,产生以LPS为代表的应激物质,这些应激物质通过激活Toll 样受体(TLR-4)通路促进IL-6和TNF-α等炎症因子释放引发全身炎症反应。而海马因其表达特殊高密度细胞因子而更易受炎症因子影响。TNF-α异常表达可抑制神经元突起生长破坏突触可塑性,IL-6通过上调β分泌酶表达介导Aβ沉积,活性氧簇增多介导硝酸化应激直接损害海马神经元结构。除此之外,TNF-α和HMGB1可通过影响单核细胞趋化蛋白1的代谢募集单核细胞到中枢神经系统诱发神经炎症反应[12]。但针对外周炎症诱发中枢损伤的机制目前尚无定论,位于血脑屏障的毛细血管床存有TNF-α、IL-6转运功能,外周炎症因子能够经过此途径进入中枢。此外,位于脉络丛部位的血脑屏障较薄弱,通透性大,外周炎症因子也可能通过此部位扩散进入中枢神经系统。

炎症反应对于认知功能来说并非只有破坏,适当的炎症反应也有保护作用,小胶质细胞或在其中扮演重要角色。研究发现当小胶质细胞表型失衡时会增加TNF-α、IL-1β等炎症因子的释放,而表型平衡时则会促进脑源性神经营养因子和抗炎因子IL-10等释放,表型表达差异将对认知产生不同的影响[13]。因此,寻找小胶质细胞在中枢炎性反应中的可调节靶点,有助于及时干预炎症反应进展,改善卒中人群的认知结局。

2.2 血脑屏障破坏血脑屏障是一种以脑微血管内皮细胞为核心的屏障结构,在维持中枢神经系统微环境稳态中发挥重要作用。在缺血性卒中的病理条件下,糖氧剥夺及随后发生的再灌注损伤会导致受损神经元释放多种伤害相关模式因子,进一步诱发炎症介质释放和基质金属蛋白酶激活,导致血脑屏障破坏,随后炎症细胞、炎症因子和血液中的有毒代谢产物进入中枢神经系统[14,15]。一项探究海马炎症与PND关系的多期全转录组研究筛选出了多组差异表达基因,发现显著表达基因主要集中在突触神经元炎症通路和构建血脑屏障完整性的相关通路上,提示血脑屏障破坏是除中枢炎症外导致卒中后PND发生的又一重要机制[16]。Heneka等共发现,血脑屏障破坏后,IL-8和人巨噬细胞来源趋化因子表达上调,趋化并激活中性粒细胞、嗜碱性粒细胞和T细胞,响应炎症反应,这一过程可对认知功能产生不利影响[17]。从目前的相关研究来看,血脑屏障的完整性对于改善卒中患者的认知功能具有重要作用,但其在PND中发挥的具体作用目前不甚明确,仍需进一步的探索。

2.3 Tau蛋白过度磷酸化Tau蛋白是1975年首次发现的一种微管相关蛋白,在微管组装和稳定中起重要作用[18],而过度磷酸化会显著降低其生物活性[19]。以往的研究主要集中在Tau蛋白在神经退行性疾病中的作用机制,最新研究发现,脑缺血损伤后神经元中的Tau蛋白磷酸化反应性增强[20],高浓度的过磷酸化Tau蛋白又能刺激活性氧产生[21]。简单来说,氧化应激和Tau蛋白过度磷酸化可能是缺血性卒中后恶性循环的两个关键因素。随后在动物实验中进一步探索了Tau蛋白过度磷酸化在认知中产生的作用,发现Tau蛋白表达缺失能降低兴奋性毒性,对认知功能发挥保护作用[22]。在脑低灌注模型的小鼠中,用抗Tau蛋白抗体治疗的小鼠在巴恩斯迷宫测试中表现出更轻的认知功能障碍[23]。目前的研究热点认为衰老细胞的累积与认知相关神经元损失之间存在因果关系,其潜在的机制可能是清除衰老小胶质细胞可防止Tau蛋白过度磷酸化,使用转基因手段清除衰老小胶质细胞,可防止Tau蛋白过度磷酸化导致神经原纤维缠结沉积,以及皮层和海马神经元的退化[24]。因此,通过抑制Tau蛋白过度磷酸化或将为卒中人群PND的临床防治提供可行的理论基础。

2.4 Aβ沉积Aβ蛋白由淀粉样蛋白前体经α-分泌酶和γ-分泌酶水解后沉积在细胞基质,具有很强的神经毒性。最早在20世纪90年代在一些中风死亡患者的尸检研究中发现了Aβ沉积[25],于是有学者提出缺血性脑损伤可能导致Aβ在脑中沉积,进而导致继发性神经变性和进行性认知能力下降。随后研究者们在啮齿动物中进行探索,在永久性大脑中动脉闭塞(pMCAO)和短暂性大脑中动脉闭塞(tMCAO)两种卒中模型均验证了脑梗死后发生Aβ沉积,特别是在丘脑和海马两个与认知功能密切相关的部位。同时还发现在pMCAO后7～14天,动物同侧丘脑中神经元丢失、胶质细胞形成与Aβ沉积并存,且持续的神经元丢失伴随着Aβ沉积的增加[26]。在非人类灵长类动物的的研究方面,出现了不同的结果。一项对成年食蟹猴的研究中发现在pMCAO后12个月的随访期内,同侧丘脑和海马出现了以神经元丢失和胶质增生为特征的继发性神经退行性变,但脑中却未发现细胞外Aβ沉积[27]。以上研究得出了不同结论,提示卒中后Aβ沉积可能与物种差异有关,大脑结构和APP加工差异可能是一方面原因。另一方面,脑梗死后Aβ沉积可能具有时间依赖性,需要更长的随访时间来验证[28]。在人类临床研究方面,与非人类灵长类动物的研究结果一致,尚未得出关于Aβ沉积与脑卒中后认知能力下降之间关系的确切结果。从现有研究来看,目前国内外关于这一主题的研究,样本量及临床证据还不足,仍需更多高质量、大样本的研究深入探究。

2.5表观遗传最新研究证据表明,表观遗传学修饰能参与卒中后小胶质细胞极化调控[29],可能为改善卒中后围术期认知功能障碍提供一些潜在治疗策略。调控组蛋白不同位点甲基化修饰可诱导小胶质细胞向不同的表型转化[30],Chen等发现在局灶性脑缺血再灌注损伤和缺氧-葡萄糖缺乏环境下,甲基转移酶EZH2在小胶质细胞中高表达,诱导炎症基因激活;而EZH2抑制剂给药后小胶质细胞向M2样表型分化[31]。另外,通过调控非编码RNA(ncRNA)中的微小RNA(miRNA)和长非编码RNA(lncRNA)等相关基因转录水平也可影响小胶质细胞极化过程。Zhao发现,微小RNA-424(miR-424)过度表达可减少氧化应激反应,保护大脑免受缺血性损伤同时改善了行为缺陷[32]。在大鼠大脑中动脉栓塞模型(MCAO)中微小RNA-200b(miR-200b)过表达可诱导小胶质细胞的M1样表型分化[33]。组蛋白的乙酰化调控方面也表现出巨大潜力,Li等发现在卒中小鼠模型中,小胶质细胞中组蛋白脱乙酰酶(HDACs)的缺失可增强其Aβ吞噬和减少Aβ沉积来改善学习和记忆[34]。目前来看,表观遗传学改善卒中患者围术期认知功能潜力巨大,有望成为卒中患者改善术后认知功能的治疗靶点。

3 总结与展望

合并卒中患者发生PND的机制较为复杂,中枢神经系统炎症可能是最主要的致病机制,除此之外上述其他机制可能共同参与其中影响认知结局,因此以中枢神经系统炎症为治疗靶点可能会最大程度的改善PND,通过调控小胶质细胞表型改善认知结局或许是一个较好的思路。此外,目前相关研究主要为临床前研究,虽取得了一些进展,但仍需要进一步临床研究结果加以论证,更多大样本、长随访周期的临床研究仍将是未来努力的方向。

总的来说,对合并卒中患者PND的研究仍处于探索阶段,继续深入研究其发生机制,从根本上预防,是我们需要进一步实践的方向。